DE102009061093B3 - Elektronenstrahleinheit mit Strahlfeldbegrenzung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahleinheit zur Erzeugung eines Bestrahlungsfeldes. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Bestrahlungsfeldes mittels eines Elektronenstrahlers.
- Für eine Vielzahl von Anwendungen wie beispielsweise das Behandeln von Oberflächen, das Vernetzen von polymeren Materialien, das Härten von strahlungshärtenden Lacken und Druckfarben, das Sterilisieren von Gegenständen und Behältnissen etc. werden Elektronenstrahler benötigt, die ein flächig ausgedehntes Bestrahlungsfeld von Elektronen bereitstellen. Für viele Einsatzzwecke ist es dabei notwendig, das von der Bestrahlungseinheit bereitgestellte Bestrahlungsfeld mit Hilfe von Blenden oder Abdeckungen auf einen bestimmten Bereich einzuschränken.
- Allerdings kommt es an derartigen Blenden oder Abdeckungen jeweils zur Entstehung von Röntgenstrahlung, und zum Schutz vor dieser Röntgenstrahlung waren aufwändige Abschirmungen erforderlich. Darüber hinaus müssen die Blenden, Lochblenden oder sonstigen Abdeckungen häufig gekühlt werden, da die auftreffenden Elektronen eine Aufheizung dieser Blenden verursachten. Darüber hinaus kommt es zur Entstehung von zusätzlichen Spaltprodukten wie beispielsweise Ozon, welche abgesaugt und entsorgt werden müssen.
- Die deutsche Patentanmeldung
DE 30 20 809 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Elektronenaustrittsfensters eines Elektronenstrahlerzeugers, der eine die Elektronen an vielen Punkten emittierende Kathode, insbesondere Dünnfilmemissionskathode, aufweist. Das genannte Fenster wird mit dem genannten, eigenen Elektronenstrahlerzeuger und also mit der genannten, eigenen, punktuell emittierenden Kathode über Aperturlinsen durch Elektronenprojektionslithographie hergestellt. - Die US-Patentanmeldung US 2004/0251431 A1 beschreibt eine Elektronenstrahlröhre und ein Elektronenstrahlaustrittsfenster, die in der Lage sind, durch effektives Abführen der Hitze, die beim Hindurchtreten des Elektronenstrahls durch ein Fenster erzeugt wird, einen intensiven Ausgangselektronenstrahl zu erzeugen. Dabei wird ein Temperaturanstieg des Fensters kontrolliert und ein Brechen des Fensters verhindert. Die Elektronenstrahlröhre umfasst erste Stege, die auf einer ersten Seite des Fensters angebracht sind, und zweite Stege, welche auf einer zweiten Seite des Fensters an Stellen angeordnet sind, die den Flächen zwischen den ersten Stegen entsprechen, wobei eine Höhe der zweiten Stege, eine Breite der zweiten Stege und ein Abstand zwischen den benachbarten zweiten Stegen jeweils kleiner ist als bei den ersten Stegen.
- Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Elektronenstrahleinheit sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Bestrahlungsfeldes zur Verfügung zu stellen, die in der Lage sind, ein Bestrahlungsfeld von vorgegebener Geometrie zur Verfügung zu stellen.
- Diese Aufgabe der Erfindung wird durch eine Elektronenstrahleinheit nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Erzeugung eines Bestrahlungsfeldes mittels eines Elektronenstrahlers nach Anspruch 14 gelöst.
- Eine erfindungsgemäße Elektronenstrahleinheit stellt ein flächig ausgedehntes Bestrahlungsfeld von beschleunigten Elektronen zur Verfügung und umfasst mindestens eine Heizkathode zur Erzeugung von Elektronen, eine Gitteranordnung mit einem oder mehreren Gitterelementen, die dazu vorgesehen sind, die Elektronen von der Heizkathode abzuziehen, zu verteilen und zu beschleunigen, sowie ein Elektronenaustrittsfenster, aus dem die Elektronen nach der Beschleunigung austreten. Mindestens ein Gitterelement umfasst einen elektronenundurchlässigen Außenbereich sowie mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung, wobei die mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung eine beliebig vorgegebene geometrische Form aufweist. Das gewünschte Bestrahlungsfeld ist auf Ebene der Gitteranordnung ausblendbar, wobei nicht benötigte Elektronen auf Höhe der Gitteranordnung abfangbar sind, und wobei nur die tatsächlich benötigten Elektronen beschleunigbar sind.
- Bei vielen Anwendungen ist es vorteilhaft, das von einer Elektronenstrahleinheit erzeugte flächige Bestrahlungsfeld auf einen tatsächlich benötigten Bereich einzuschränken. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, nur einen Teilbereich der zu bestrahlenden Produkte mit Elektronen zu bestrahlen, oder das Bestrahlungsfeld auf bestimmte Bereiche einer Bestrahlungsvorrichtung, beispielsweise auf eine Transportbahn der Produkte, zu beschränken. Die Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen es, Geometrie und Ausdehnung des Bestrahlungsfeldes durch entsprechende Gestaltung von mindestens einer elektronendurchlässigen Aussparung in einem oder mehreren der Gitterelemente beliebig vorzugeben. Mit Hilfe der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung wird das gewünschte Bestrahlungsfeld festgelegt, während Elektronen außerhalb des benötigten Bereichs durch den elektronenundurchlässigen Außenbereich abgefangen werden.
- Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird das gewünschte Bestrahlungsfeld auf der Ebene der Gitteranordnung ausgeblendet. Dort sind die Elektronen in der Regel bereits auf eine gewisse Energie vorbeschleunigt, die eigentliche Beschleunigung erfolgt jedoch meist zwischen der Gitteranordnung und dem Elektronenaustrittsfenster. Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden die nicht benötigten Elektronen bereits auf Höhe der Gitteranordnung abgefangen, und nur die tatsächlich benötigten Elektronen werden nachbeschleunigt. Nur die tatsächlich benötigten Elektronen werden der starken Beschleunigung zwischen Gitteranordnung und Elektronenaustrittsfenster unterworfen, und daher wird die Verlustleistung bei der erfindungsgemäßen Elektronenstrahleinheit reduziert. Dadurch wird die Energieaufnahme der erfindungsgemäßen Elektronenstrahleinheit auf das notwendige Maß begrenzt.
- Die erfindungsgemäße Elektronenstrahleinheit liefert ein Bestrahlungsfeld von gewünschter Geometrie. Dadurch wird es unnötig, das Bestrahlungsfeld außerhalb der Elektronenstrahleinheit durch Blenden, Lochblenden oder Abdeckungen zu begrenzen. Bei den Elektronenstrahlern des Stands der Technik kam es an derartigen Blenden oder Abdeckungen jeweils zur Entstehung von Röntgenstrahlung, und zum Schutz vor dieser Röntgenstrahlung waren zusätzliche aufwändige Abschirmungen erforderlich. Darüber hinaus mussten die Blenden, Lochblenden oder sonstigen Abdeckungen häufig gekühlt werden, da die auftreffenden Elektronen eine Aufheizung dieser Blenden verursachten. Darüber hinaus kam es zur Entstehung von zusätzlichen Spaltprodukten wie beispielsweise Ozon, welche abgesaugt und entsorgt werden mussten.
- Indem das flächige Bestrahlungsfeld auf den tatsächlich benötigten Bereich begrenzt wird, werden diese außerhalb des Elektronenstrahlers angeordneten Blenden überflüssig, da die Strahlfeldbegrenzung bereits innerhalb des Elektronenstrahlers vorgenommen wird. Dadurch werden auch die Folgeprobleme durch die zusätzlich entstehende Röntgenstrahlung, die zusätzlich entstehenden Spaltprodukte sowie die Aufheizung der Blenden deutlich verringert.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung dazu ausgelegt, aus den beschleunigten Elektronen ein Bestrahlungsfeld von vorgegebener geometrischer Form auszublenden.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist Form und Ausdehnung der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung entsprechend dem jeweils benötigten Bestrahlungsfeld vorgegeben. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Kontur der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung entsprechend dem jeweils benötigten Bestrahlungsfeld vorgegeben.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist Form und Ausdehnung des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds durch eine Kontur der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist Form und Ausdehnung des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds durch Form und Ausdehnung der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Geometrie des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds durch eine Geometrie der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Elektronenstrahleinheit dazu ausgebildet, Gegenstände zu bestrahlen, die entlang einer Transportbahn an der Elektronenstrahleinheit vorbeigeführt werden, wobei die Form von mindestens einer der elektronendurchlässigen Aussparungen entsprechend der Transportbahn gewählt ist. Durch eine geeignete Gestaltung der mindestens einen Aussparung ist es möglich, das Bestrahlungsfeld an die Geometrie der Transportbahn und der dort transportieren Produkte anzupassen. Damit wird zum einen erreicht, dass die Produkte gleichmäßig bestrahlt werden, zum andern werden Probleme vermieden, die durch die Bestrahlung von Bereichen außerhalb der Transportbahn hervorgerufen werden.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eines der Gitterelemente dazu ausgelegt, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen. Auf diese Weise kann ein Bestrahlungsfeld erzeugt werden, das eine über das Bestrahlungsfeld hinweg variierende Intensität aufweist. Mit Hilfe derartiger Bestrahlungsfelder ist es möglich, an verschiedenen Bereichen eines Produkts eine unterschiedliche Bestrahlungsdosis aufzubringen. Dies kann beispielsweise bei der Bestrahlung von kompliziert geformten Formteilen sinnvoll sein.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eines der Gitterelemente eine örtlich variierende Elektronendurchlässigkeit auf, welche dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen. An den Bereichen, an denen die Elektronendurchlässigkeit hoch ist, kommt es zur Ausprägung einer hohen Bestrahlungsintensität, während sich für Bereiche mit niedriger Elektronendurchlässigkeit eine niedrige Bestrahlungsintensität ergibt.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eines der Gitterelemente Bereiche unterschiedlicher Elektronendurchlässigkeit, welche dazu ausgelegt sind, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eines der Gitterelemente elektronenundurchlässige Stege und elektronendurchlässige Durchbrüche, wobei Breite der elektronenundurchlässigen Stege und Größe der elektronendurchlässigen Durchbrüche über das Gitterelement hinweg örtlich variieren und dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufprägen. Es ist daher möglich, ein Gitter so auszulegen, dass den durch das Gitter hindurchtretenden Elektronen ein vorher festgelegtes Intensitätsprofil aufgeprägt wird.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind innerhalb der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung jeweils Gitter angebracht. Dadurch ergibt sich ein gleichmäßiger Verlauf der zur Beschleunigung der Elektronen verwendeten elektrischen Felder.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eines der Gitter eine örtlich variierende Elektronendurchlässigkeit auf, welche dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eines der Gitter Bereiche unterschiedlicher Elektronendurchlässigkeit auf, welche dazu ausgelegt sind, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eines der Gitter elektronenundurchlässige Stege und elektronendurchlässige Durchbrüche, wobei Breite der elektronenundurchlässigen Stege und Größe der elektronendurchlässigen Durchbrüche über das Gitter hinweg örtlich variieren und dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufprägen. Während durch die Form der mindestens einen Aussparung die Form des Bestrahlungsfelds vorgegeben wird, kann das Intensitätsprofil des Bestrahlungsfelds durch die Gestaltung der in den Aussparungen angeordneten Gitter vorgegeben werden. Dadurch kann zum einen die Geometrie des Bestrahlungsfelds, zum anderen aber auch der Intensitätsverlauf innerhalb des Bestrahlungsfelds beliebig vorgegeben werden.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Elektronenstrahleinheit zur Bestrahlung von Formteilen ausgebildet, wobei das mindestens eine Gitterelement dazu ausgebildet ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen, welches an eine Formgebung des Formteils angepasst ist. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Gitterelement dazu ausgebildet, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen, welches so gewählt ist, dass verschiedene unterschiedlich geformte und geneigte Oberflächen des Formteils im Wesentlichen homogen mit Elektronen beaufschlagt werden. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Bestrahlung pro Flächeneinheit ist beispielsweise für eine stärker geneigte Oberfläche eine höhere Bestrahlungsdosis erforderlich als für eine weniger stark geneigte Oberfläche.
- Zur Erzielung eines gleichmäßigen Bestrahlungsergebnisses ist es daher vorteilhaft, das Intensitätsprofil des Bestrahlungsfeldes entsprechend der Oberflächenform des zu bestrahlenden Formteils zu wählen.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Gitteranordnung ein primäres Gitterelement und ein sekundäres Gitterelement.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das primäre Gitterelement zugleich als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet, während das sekundäre Gitterelement nicht zur Strahlfeldbegrenzung ausgebildet ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das sekundäre Gitterelement zugleich als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet, während das primäre Gitterelement nicht zur Strahlfeldbegrenzung ausgebildet ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind sowohl das primäre Gitterelement als auch das sekundäre Gitterelement als Strahlfeldbegrenzungselemente ausgebildet.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zusätzlich zu mindestens einem der Gitterelemente auch das Elektronenaustrittsfenster als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet und weist einen elektronenundurchlässigen Außenbereich sowie mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung auf. Beispielsweise kann die grobe Form des Bestrahlungsfeldes durch mindestens eines der Gitterelemente vorgegeben werden, während die scharfe Konturierung des Bestrahlungsfeldes und das exakte Ausblenden der gewünschten Strahlkontur mittels des Elektronenaustrittsfensters erfolgt.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Aussparung des mindestens einen Gitterelements kleiner oder im Wesentlichen gleich groß wie die mindestens eine entsprechende Aussparung des Elektronenaustrittsfensters.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung herrscht innerhalb der Elektronenstrahleinheit ein Vakuum.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Elektronenstrahleinheit eine Spannungsquelle, die dazu ausgelegt ist, die Heizkathode, mindestens eines der Gitterelemente sowie das Elektronenaustrittsfenster auf vorbestimmte Potentiale zu legen, welche so gewählt sind, dass die Elektronen von der Heizkathode abgezogen, verteilt und durch die Gitterelemente hindurch zum Elektronenaustrittsfenster hin beschleunigt werden.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Spannungsquelle dazu ausgelegt, zwischen der Heizkathode und mindestens einem der Gitterelemente eine Gitterspannung anzulegen, welche dazu ausgelegt ist, die Elektronen von der Heizkathode abzuziehen und zu verteilen.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Elektronenaustrittsfenster als Anode der Elektronenstrahleinheit ausgebildet, und die Spannungsquelle ist dazu ausgelegt, zwischen mindestens einem der Gitterelemente und dem Elektronenaustrittsfenster eine Beschleunigungsspannung anzulegen, welche dazu ausgelegt ist, die Elektronen auf eine gewünschte Energie zu beschleunigen.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Gitteranordnung ein primäres Gitterelement und ein sekundäres Gitterelement, welche sich im Wesentlichen auf demselben Potential befinden.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Elektronenstrahleinheit eine Strahlblende mit einer Öffnung, an die ein Strahlfinger angeformt ist, dessen Röhrenquerschnitt gleich oder etwas größer ist als die Öffnung der Strahlblende, wobei das der Strahlblende entgegengesetzte Ende des Strahlfingers als Elektronenaustrittsfenster ausgebildet ist. Ein derartiger Strahlfinger kann beispielsweise zum Sterilisieren von Behältnissen eingesetzt werden.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eines der Gitterelemente als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet und weist eine Aussparung auf, die bezüglich Form und Größe im Wesentlichen mit der Öffnung der Strahlblende übereinstimmt. Mit Hilfe eines Gitterelements, das zugleich als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet ist, kann aus dem Strom von Elektronen eine Strahlgeometrie ausgeblendet werden, die optimal an die Strahlblende des Strahlfingers angepasst ist. Auf diese Weise kann der Strahlfinger optimal mit Elektronen beschickt werden.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Querschnitt des Strahlfingers gleich oder etwas größer als die Öffnung der Strahlblende.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Strahlblende als Anode des Elektronenbeschleunigers ausgebildet.
- Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung eines flächig ausgedehnten Bestrahlungsfeldes von beschleunigten Elektronen mittels eines Elektronenstrahlers umfasst Erzeugen von Elektronen mittels mindestens einer Heizkathode, Abziehen der Elektronen von der Heizkathode und Verteilen der Elektronen mittels einer Gitteranordnung, die mindestens ein Gitterelement umfasst, sowie Beschleunigen der Elektronen zu einem Elektronenaustrittsfenster des Elektronenstrahlers hin. Des weiteren umfasst das Verfahren Begrenzen des Bestrahlungsfeldes mittels mindestens einem der Gitterelemente, welches einen elektronenundurchlässigen Außenbereich sowie mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung aufweist, wobei die mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung eine beliebig vorgegebene geometrische Form aufweist, wobei das gewünschte Bestrahlungsfeld auf Ebene der Gitteranordnung ausgeblendet wird, wobei nicht benötigte Elektronen auf Höhe der Gitteranordnung abgefangen werden, und wobei nur die tatsächlich benötigten Elektronen der Beschleunigung zwischen Gitteranordnung und Elektronenaustrittsfenster unterworfen werden.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist die mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung dazu ausgelegt, aus den beschleunigten Elektronen ein Bestrahlungsfeld von vorgegebener geometrischer Form auszublenden.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird Form und Ausdehnung der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung entsprechend dem jeweils benötigten Bestrahlungsfeld vorgegeben. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird eine Kontur der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung entsprechend dem jeweils benötigten Bestrahlungsfeld vorgegeben.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird Form und Ausdehnung des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds durch eine Kontur der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird Form und Ausdehnung des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds durch Form und Ausdehnung der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird eine Geometrie des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds durch eine Geometrie der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist mindestens eines der Gitterelemente dazu ausgelegt, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele weiter beschrieben.
-
1 zeigt die Grundstruktur eines Elektronenstrahlers gemäß dem Stand der Technik; -
2 veranschaulicht, wie eines oder mehrere der Gitterelemente zur Strahlfeldbegrenzung verwendet werden können; -
3 zeigt, wie zusätzlich auch das Elektronenaustrittsfenster zur Strahlfeldbegrenzung eingesetzt werden kann; -
4 zeigt ein Gitterelement von homogener Elektronendurchlässigkeit, das in eine Aussparung einsetzbar ist; -
5 zeigt, wie durch Variation der Gitterabstände und der Dicke der Stege ein Gitter mit variierender Elektronendurchlässigkeit hergestellt werden kann; -
6 zeigt ein Gitter mit variierender Elektronendurchlässigkeit sowie ein Formteil, das mit Hilfe dieses Gitters geeignet bestrahlt werden kann; -
7 zeigt erfindungsgemäße Strahlereinheiten, mit denen Bestrahlungsfelder mit vorgegebenem Intensitätsprofil erzeugt werden können; -
8 zeigt einen erfindungsgemäßen Elektronenstrahler, bei dem die Form des Bestrahlungsfeldes an die Transportbahn angepasst ist; und -
9 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der ein Strahlfinger mit Elektronen beschickt wird. -
1 zeigt einen Elektronenstrahler zur Erzeugung eines flächigen Bestrahlungsfeldes. Die Erzeugung und Beschleunigung der Elektronen erfolgt dabei im Vakuum. Der Elektronenstrahler umfasst eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Heizkathoden1 , welche beispielsweise in Form von Kathodendrähten ausgebildet sein können. Der Elektronenstrahler umfasst ein primäres Gitterelement2 sowie ein sekundäres Gitterelement3 . Die beiden Gitterelemente2 ,3 sind vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden und befinden sich insofern auf demselben elektrischen Potential. Die Gitterelemente2 ,3 sind dazu ausgelegt, die Elektronen von den Heizkathoden1 abzuziehen, gleichmäßig zu verteilen und einer Vorbeschleunigung zu unterziehen. Zu diesem Zweck wird zwischen die Heizkathoden1 einerseits und die Gitterelemente2 ,3 andererseits eine einstellbare Gitterspannung angelegt, die von einer Hochspannungsquelle4 zur Verfügung gestellt wird. Diese Gitterspannung kann beispielsweise im Bereich von –30 V bis +300 V variiert werden. Wenn die beiden Gitterelemente2 ,3 im Vergleich zu den Heizkathoden1 auf ein negatives Potential gelegt werden, dann kommt kein Elektronenfluss zustande. Werden die beiden Gitterelemente2 ,3 dagegen auf ein im Vergleich zu den Heizkathoden positives Potential gelegt, dann werden die ausgetretenen Elektronen von den Heizkathoden abgezogen, und so beschleunigt, dass sie durch das primäre Gitterelement2 und das sekundäre Gitterelement3 hindurch fliegen. - Das primäre Gitterelement
2 kann beispielsweise als vergleichsweise grobmaschiges Gitter ausgebildet sein, während das sekundäre Gitterelement als feinmaschiges Gitter ausgebildet ist. Beispielsweise können beim primären Gitterelement2 die Durchbrüche ca. 5 mm2 groß sein, während beim sekundären Gitterelement3 die Durchbrüche ca. 0,5 mm2 groß sind. Derartige Gitterelemente können beispielsweise durch Ätzen oder mittels Laserstrukturierung hergestellt werden. - Hauptsächlich erfolgt die Beschleunigung der Elektronen jedoch zwischen dem sekundären Gitterelement
3 und einem Elektronenaustrittsfenster5 . Das Elektronenaustrittsfenster5 dient dazu, das Vakuum im Inneren des Elektronenstrahlers gegenüber dem normalen Luftdruck außerhalb des Elektronenstrahlers abzudichten, wobei die beschleunigten Elektronen durch das Elektronenaustrittsfenster hindurchtreten können. Typischerweise umfasst das Elektronenaustrittsfenster5 eine Stützkonstruktion, beispielsweise eine Lochfeldplatte oder eine Lamellenkonstruktion, sowie eine an der Außenseite der Stützkonstruktion angebrachte dünne Metallfolie, durch die die beschleunigten Elektronen hindurchtreten können. Zur Verwendung als Elektronenaustrittsfenster eignet sich beispielsweise eine Titanfolie mit einer Dicke zwischen 6 und 20 μm. - Die eigentliche Beschleunigung erfahren die Elektronen erst nach dem sekundären Gitterelement
3 . Die bereits vorbeschleunigten Elektronen werden beim Durchlaufen eines elektrischen Feldes zwischen dem sekundären Gitterelement3 und dem Elektronenaustrittsfenster5 stark beschleunigt. Beispielsweise kann zwischen den Gitterelementen2 ,3 und dem Elektronenaustrittsfenster5 eine Beschleunigungsspannung angelegt werden, die beispielsweise zwischen 60 kV und 300 kV beträgt. Dabei kann das Elektronenaustrittsfenster5 als Anode dienen, welche vorzugsweise geerdet wird. Die benötigte Beschleunigungsspannung kann ebenfalls von der Hochspannungsquelle4 zur Verfügung gestellt werden. Die beschleunigten Elektronen treten durch das Elektronenaustrittsfenster5 aus dem Elektronenstrahler aus. Auf diese Weise kann der Elektronenstrahler ein flächig ausgedehntes Bestrahlungsfeld von beschleunigten Elektronen zur Verfügung stellen. - In vielen Fällen wird nur ein Bruchteil des vom Elektronenstrahler zur Verfügung gestellten Strahlaustritts tatsächlich für die Bestrahlung von Flächen oder Produkten benötigt. Beispielsweise werden Produkte oft nur teilweise oder partiell an bestimmten Stellen bestrahlt. In diesen Fällen wird ein erheblicher Teil der vom Elektronenbeschleuniger zur Verfügung gestellten Bestrahlungsleistung nicht gebraucht und somit verschwendet. Die vom Elektronenstrahler zur Verfügung gestellte Menge an Elektronen wird nur zum Teil zur Bestrahlung eines Produkts verwendet. Die überschüssige Elektronenstrahlung führt beim Auftreffen auf Materie jedoch zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, die störend ist und zusätzlich abgeschirmt werden muss. Darüber hinaus werden durch die eigentlich nicht benötigte Elektronenstrahlung zusätzliche Spaltprodukte wie beispielsweise Ozon erzeugt, das abgesaugt und entsorgt werden muss. Grundsätzlich ist es zwar möglich, Bereiche, in denen keine Elektronenstrahlung gewünscht ist, mit Blenden oder Lochblenden abzudecken. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die dort auftretende Leistung zur Erwärmung der Blenden führt, welche gegebenenfalls gekühlt werden müssen.
- Entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird mindestens eines der Gitterelemente zugleich als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet, um auf diese Weise ein Bestrahlungsfeld von vorgegebener Form und Ausdehnung zu erzeugen. Dies kann sinnvoll sein, um die Form des Bestrahlungsfeldes beispielsweise an die Geometrie der zu bestrahlenden (Teil-)Flächen oder Produkte, an eine Transportbahn der Produkte oder an vorgegebene bauliche Gegebenheiten der Bestrahlungsvorrichtung anzupassen.
- In den
2A –2D sind verschiedene Möglichkeiten gezeigt, wie aus den beschleunigten Elektronen ein Bestrahlungsfeld von vorgegebener Form und Ausdehnung ausgeblendet werden kann. - Bei der in
2A gezeigten Ausführungsform ist das primäre Gitterelement200 als durchgehend elektronendurchlässiges Gitterelement ausgebildet, welches die Elektronen von den Heizkathoden201 abzieht und verteilt. Das sekundäre Gitterelement202 dagegen dient zur Strahlfeldbegrenzung und weist einen elektronenundurchlässigen Außenbereich203 , eine erste elektronendurchlässige Aussparung204 von dreieckiger Form und eine zweite elektronendurchlässige Aussparung205 von runder Form auf. Der elektronenundurchlässige Außenbereich203 kann vorzugsweise aus Metall bestehen. Die elektronendurchlässigen Aussparungen204 ,205 sind vorzugsweise jeweils mit einem Gitter versehen, um einen homogenen elektrischen Feldverlauf zu gewährleisten. Elektronen, die von den Heizkathoden201 abgezogen werden, werden durch das primäre Gitterelement200 und das sekundäre Gitterelement202 hindurch zu einem Elektronenaustrittsfenster206 hin beschleunigt. Dabei wird durch den elektronenundurchlässigen Außenbereich203 des sekundären Gitterelements202 ein Teil der Elektronen ausgeblendet, so dass die Form der erzeugten Bestrahlungsfelder allein durch die Konturen der ersten elektronendurchlässigen Aussparung204 und der zweiten elektronendurchlässigen Aussparung205 festgelegt wird. Dementsprechend erhält man ein erstes Bestrahlungsfeld207 von dreieckiger Form sowie ein zweites Bestrahlungsfeld208 von runder Form. Da die Elektronen zunächst durch das durchgehend elektronendurchlässige primäre Gitterelement200 gleichmäßig verteilt und anschließend durch die Aussparungen204 ,205 begrenzt werden, erhält man gleichmäßig bestrahlte und klar konturierte Bestrahlungsfelder207 ,208 . Durch eine geeignete Gestaltung der elektronendurchlässigen Aussparungen kann ein Bestrahlungsfeld von beliebig vorgebbarer Form und Ausdehnung realisiert werden. - In
2B ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der sowohl das primäre Gitterelement209 als auch das sekundäre Gitterelement210 zur Strahlfeldbegrenzung dienen. Das primäre Gitterelement209 weist einen elektronenundurchlässigen Außenbereich211 sowie zwei elektronendurchlässige Aussparungen212 ,213 auf, wobei in den Aussparungen212 ,213 vorzugsweise Gitter angeordnet sind. Das sekundäre Gitterelement210 weist ebenfalls einen elektronenundurchlässigen Außenbereich214 sowie zwei Aussparungen215 ,216 auf, wobei die Aussparungen215 ,216 vorzugsweise gleich groß oder etwas größer gewählt sind als die entsprechenden Aussparungen212 ,213 des primären Gitterelements209 . Elektronen, die aus den Heizkathoden217 ausgetreten sind, werden durch die beiden Gitterelemente209 und210 hindurch zum Elektronenaustrittsfenster218 hin beschleunigt. Dabei wird der Strom von Elektronen durch die elektronendurchlässigen Aussparungen212 ,213 sowie215 ,216 dergestalt begrenzt, dass die Geometrie der erzeugten Bestrahlungsfelder219 ,220 der Geometrie der Aussparungen212 ,213 ,215 ,216 entspricht. Die dreieckige Form des Bestrahlungsfelds219 entspricht der dreieckigen Form der Aussparungen212 ,215 , und die runde Form des Bestrahlungsfelds220 entspricht der runden Form der Aussparungen213 ,216 . Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung erhält man klar konturierte Bestrahlungsfelder von gleichmäßiger Strahlungsintensität. - In
2C ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der das primäre Gitterelement221 zur Strahlfeldbegrenzung ausgebildet ist, während das sekundäre Gitterelement222 als durchgehend elektronendurchlässiges Gitterelement ausgebildet ist. Das primäre Gitterelement221 weist einen elektronenundurchlässigen Außenbereich223 sowie zwei elektronendurchlässige Aussparungen224 ,225 auf. Die von den Heizkathoden226 zur Verfügung gestellten Elektronen werden durch die Gitterelemente221 ,222 hindurch zum Elektronenaustrittsfenster227 beschleunigt, und dabei wird dem Strom von Elektronen durch die beiden elektronendurchlässigen Aussparungen224 ,225 eine Strahlfeldbegrenzung aufgeprägt. Daher erzeugt der in2C gezeigte Elektronenstrahler die beiden Bestrahlungsfelder228 ,229 , deren Form durch die Aussparungen224 ,225 vorgegeben ist. -
2D zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Anders als bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen umfasst der in2D gezeigte Elektronenstrahler nur ein einziges Gitterelement230 , das zugleich zur Strahlfeldbegrenzung dient. Das Gitterelement230 umfasst einen elektronenundurchlässigen Außenbereich231 sowie zwei elektronendurchlässige Aussparungen232 ,233 . Elektronen, die aus den Heizkathoden234 austreten, werden durch das Gitterelement230 hindurch in Richtung zum Elektronenaustrittsfenster235 hin beschleunigt, wobei durch die Aussparungen232 ,233 die gewünschten Bestrahlungsfelder236 ,237 vorgegeben werden. - Bei den bisher anhand von
2A –2D beschriebenen Ausführungsformen wird die Strahlfeldbegrenzung mit Hilfe von mindestens einem der Gitterelemente erzielt, während das Elektronenaustrittsfenster als durchgehend elektronendurchlässiges Elektronenaustrittsfenster ausgebildet ist. In3 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der zusätzlich zu mindestens einem der Gitterelemente auch das Elektronenaustrittsfenster zur Strahlfeldbegrenzung herangezogen wird. Bei dem gezeigten Beispiel ist das primäre Gitterelement300 als durchgehend elektronendurchlässiges Gitterelement ausgebildet. Das sekundäre Gitterelement301 umfasst einen elektronenundurchlässigen Außenbereich302 sowie zwei Aussparungen303 ,304 , die aus dem von den Heizkathoden305 erzeugten Strom von Elektronen die gewünschten Bestrahlungsfelder ausblenden. Anders als bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen dient das Elektronenaustrittsfenster306 ebenfalls zur Strahlfeldbegrenzung. Die elektronendurchlässige Metallfolie befindet sich lediglich in den elektronendurchlässigen Bereichen307 ,308 , wohingegen der Außenbereich309 elektronenundurchlässig ist. Insofern wird die Form der Bestrahlungsfelder310 ,311 sowohl durch die Aussparungen303 ,304 des sekundären Gitterelements301 als auch durch die elektronendurchlässigen Bereiche307 ,308 des Elektronenaustrittsfensters306 festgelegt. Bei der in3 gezeigten Ausführungsform ist zu beachten, dass die Elektronen, die im Außenbereich309 des Elektronenaustrittsfensters306 auftreffen, bereits stark beschleunigt sind. Um zu vermeiden, dass die von den beschleunigten Elektronen verursachte Verlustleistung allzu groß wird, erscheint es daher sinnvoll, bereits auf Höhe der Gitterelemente eine Strahlfeldbegrenzung vorzunehmen. - Zur Erzielung eines homogenen Bestrahlungsfeldes werden in den Aussparungen der Gitterelemente Gitter angebracht, die eine homogene Elektronendurchlässigkeit aufweisen. In
4 ist ein derartiges Gitter400 für eine runde Aussparung gezeigt, beispielsweise für die Aussparung205 in2A . Um eine konstante Elektronendurchlässigkeit zu erzielen, weist das Gitter400 eine Vielzahl von Stegen401 und Durchbrüchen402 auf, die in gleichmäßigem Abstand über das Gitter400 hinweg angeordnet sind. Mit Hilfe des Gitters400 wird ein gleichmäßiger Verlauf des zur Beschleunigung der Elektronen verwendeten elektrischen Feldes erreicht. Mit Hilfe des Gitters400 kann ein Elektronenbestrahlungsfeld von gleichmäßiger Elektronendichte erzeugt werden. - Alternativ dazu kann die Elektronendurchlässigkeit des Gitters über das Gitter hinweg variieren, um dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen. In
5 ist eine Ausführungsform eines derartigen Gitters500 gezeigt, bei dem die Elektronendurchlässigkeit über das Gitter hinweg variiert. Die horizontalen Stege501A –501C sind in konstantem Abstand zueinander angeordnet und weisen eine gleichbleibende Dicke auf. Bei den vertikalen Stegen502A –502F dagegen nehmen die Abstände zwischen den Stegen von links nach rechts zu, während sich die Dicke der Stege von links nach rechts verringert. Daher nimmt die Größe der Durchbrüche503A –503F von links nach rechts zu, und dadurch ergibt sich für das Gitter500 eine in Richtung von links nach rechts ansteigende Elektronendurchlässigkeit. Mittels des in5 gezeigten Gitters500 ist es möglich, einem Bestrahlungsfeld einen von links nach rechts ansteigenden Intensitätsgradienten aufzuprägen und auf diese Weise eine über das Bestrahlungsfeld hinweg variierende Elektronendichte zu erzielen. Ein Gitter der in5 gezeigten Art kann beispielsweise unter Verwendung eines Ätzprozesses oder mittels eines Lasers hergestellt werden. - In
6A ist ein weiteres rundes Gitter600 gezeigt, das in eine runde Aussparung eingesetzt werden kann. Das Gitter600 umfasst strahlenförmig angeordnete Stege601 , die vom Mittelpunkt aus radial nach außen verlaufen, sowie eine Mehrzahl von kreisförmigen Stegen602 , die konzentrisch um den Mittelpunkt angeordnet sind. Dabei nimmt der Abstand zwischen benachbarten kreisförmigen Stegen602 von innen nach außen zu, so dass sich eine über das Gitter600 hinweg variierende Elektronendurchlässigkeit des Gitters600 ergibt. Die Elektronendurchlässigkeit ist in der Mitte des Gitters600 am geringsten und nimmt in Richtung zum Rand hin zu. Am Rand des Gitters600 ist die Elektronendurchlässigkeit am höchsten. Durch das Gitter600 wird einem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufgeprägt, bei dem die Elektronendichte im Zentrum am geringsten ist und in Richtung zum Rand hin gleichmäßig ansteigt. - Ein Bestrahlungsfeld mit einem derartigen Intensitätsprofil kann beispielsweise sinnvoll sein, um ein Formteil mit einer konvex gewölbten Oberfläche gleichmäßig mit Elektronen bestrahlen zu können. In
6B ist ein derartiges Formteil603 gezeigt, das eine gewölbte Oberfläche aufweist. Im zentralen Bereich604 ist die Neigung der Formteiloberfläche relativ gering, wohingegen die Oberfläche in den Randbereichen605 stärker geneigt ist. Je stärker eine Fläche geneigt ist, desto höher ist die für eine gleichmäßige Bestrahlung der Formteiloberfläche erforderliche Bestrahlungsdosis. Um eine gleichmäßige Elektronenbestrahlung pro Flächeneinheit zu erzielen, ist daher im zentralen Bereich604 nur eine relativ geringe Bestrahlungsdosis erforderlich, wohingegen in den stärker geneigten Randbereichen605 eine höhere Bestrahlungsdosis erforderlich ist. Aus diesem Grund ist das durch das Gitter600 verursachte Intensitätsprofil gut geeignet, eine gleichmäßige Bestrahlung der Oberfläche des Formteils603 zu erzielen, denn durch das Gitter600 wird eine hohe Bestrahlungsintensität in den Randbereichen605 und eine geringere Bestrahlungsintensität im zentralen Bereich604 bereitgestellt. - Auch für anders geformte Formteile kann ein geeignetes Intensitätsprofil bestimmt werden, um eine an die jeweiligen Neigungen der Formteiloberfläche angepasste Bestrahlungsdosis zur Verfügung zu stellen. Das gewünschte Intensitätsprofil kann dann mit Hilfe eines Gitters erzeugt werden, bei dem die Abstände zwischen benachbarten Stegen entsprechend dem gewünschten Intensitätsprofil variiert werden.
- In den
7A und7B sind zwei weitere Ausführungsformen gezeigt, bei denen einem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufgeprägt wird. Bei der in7A gezeigten Ausführungsform ist das primäre Gitterelement700 als durchgehend elektronendurchlässiges Gitterelement ausgelegt, während das sekundäre Gitterelement701 dazu ausgelegt ist, dem Strahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen. Hierzu umfasst das sekundäre Gitterelement701 eine Aussparung702 , in der ein Gitter angeordnet ist, sowie weitere Durchbrüche703 , die um die Aussparung702 herum so angeordnet sind, dass die Elektronendurchlässigkeit in Richtung radial nach außen kontinuierlich abfällt. Das Elektronenaustrittsfenster704 ist als durchgehend elektronendurchlässiges Elektronenaustrittsfenster ausgebildet. Insofern wird den Elektronen, die von den Heizkathoden705 abgezogen und in Richtung zum Elektronenaustrittsfenster704 beschleunigt werden, lediglich durch das sekundäre Gitterelement701 ein kontinuierlich verlaufendes Intensitätsprofil aufgeprägt. Auf diese Weise erhält man ein Bestrahlungsfeld706 mit der gewünschten Intensitätsverteilung. - Bei der in
7B gezeigten Ausführungsform ist das primäre Gitterelement707 wieder als durchgehend elektronendurchlässiges Gitterelement ausgebildet. Das sekundäre Gitterelement708 umfasst eine zentrale Aussparung709 , in der ein Gitter angeordnet ist, sowie eine Vielzahl von Durchbrüchen710 , die um die zentrale Aussparung709 herum so angeordnet sind, dass sich eine nach außen hin stetig abfallende Elektronendurchlässigkeit ergibt. Im Unterschied zu der in7A gezeigten Ausführungsform trägt bei der in7B gezeigten Ausführungsform auch das Elektronenaustrittsfenster711 dazu bei, dass dem Bestrahlungsfeld eine gewünschte Intensitätsverteilung aufgeprägt wird. Bei dem Elektronenaustrittsfenster711 sind die zentrale Aussparung712 und die ringsum angeordneten Durchbrüche713 als elektronendurchlässige Bereiche ausgebildet, während der Außenbereich714 elektronenundurchlässig ist. Wenn die Elektronen von den Heizkathoden715 abgezogen und zum Elektronenaustrittsfenster711 hin beschleunigt werden, dann erzeugt der in7B gezeigte Elektronenstrahler ein Bestrahlungsfeld716 mit einer nach außen hin kontinuierlich abfallenden Intensität. Alternativ zu den in7A und7B gezeigten Ausführungsformen wäre es auch denkbar, dass ausschließlich das Elektronenaustrittsfenster dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein gewünschtes Intensitätsprofil aufzuprägen, während die beiden Gitterelemente durchgehend elektronendurchlässig sind. - In
8A ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die Geometrie eines Strahlungsfeldes an eine Transportbahn der zu bestrahlenden Produkte angepasst ist. Die Produkte werden in Pfeilrichtung entlang einer gestrichelt eingezeichneten Linie800 transportiert, und es ist erwünscht, das Bestrahlungsfeld auf die Transportbahn zu beschränken. Zu diesem Zweck weist das sekundäre Gitterelement801 eine Aussparung802 auf, deren Form und Ausdehnung das gewünschte Bestrahlungsfeld803 festlegt. Vorzugsweise ist innerhalb der Aussparung802 ein Gitter mit homogener Elektronendurchlässigkeit angebracht. Das primäre Gitterelement804 ist durchgehend elektronendurchlässig und dient nicht zur Strahlfeldbegrenzung, und das Elektronenaustrittsfenster805 dient auch nicht zur Strahlfeldbegrenzung. Wenn die von den Heizkathoden806 erzeugten Elektronen durch die Gitterelemente804 und801 hindurch zum Elektronenaustrittsfenster805 beschleunigt werden, dann entsteht das Bestrahlungsfeld803 in der gewünschten Form. Dadurch wird insbesondere erreicht, dass Bereiche außerhalb der vorgesehenen Transportbahn800 nicht in signifikantem Ausmaß mit Elektronen bestrahlt werden, was weitere Abschirmungen und Schutzmaßnahmen erforderlich machen würde. - Wie oben beschrieben, kann die Aussparung
802 mit einem Gitter versehen sein, das eine homogene Elektronendurchlässigkeit aufweist. Alternativ dazu kann die Aussparung802 mit einem Gitter versehen sein, das eine örtlich variierende Elektronendurchlässigkeit aufweist und dem Bestrahlungsfeld eine örtlich variierende Bestrahlungsintensität aufprägt. Ein derartiges Gitter807 ist in8B gezeigt. Am linken Ende808 des Gitters807 ist die Elektronendurchlässigkeit vergleichsweise gering und steigt dann zum rechten Ende809 hin kontinuierlich an. Am rechten Ende809 des Gitters807 ist die Elektronendurchlässigkeit vergleichsweise hoch. Mit Hilfe des Gitters807 lässt sich ein Bestrahlungsfeld erzeugen, dessen Intensität von links nach rechts zunimmt. Wenn die zu bestrahlenden Produkte die Transportbahn800 in Pfeilrichtung durchlaufen, nimmt die Bestrahlungsintensität beim Durchlaufen des Bestrahlungsfeldes803 kontinuierlich zu, und die Produkte sind einer kontinuierlich stärker werdenden Bestrahlung ausgesetzt. Mit Hilfe geeignet strukturierter Gitter lassen sich beliebig vorgebbare Bestrahlungsverläufe realisieren. - In
9 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die erfindungsgemäße Strahlfeldbegrenzung dazu verwendet wird, einen Strahlfinger mit Elektronen zu beschicken. Derartige Strahlfinger können beispielsweise zur Sterilisierung von Behältnissen eingesetzt werden, insbesondere zur Sterilisierung von Behältnissen im Lebensmittelbereich oder im pharmazeutischen Bereich. Strahlfinger zur Elektronenbestrahlung werden insbesondere auch zur Sterilisierung von PET-Formlingen und PET-Vorformlingen zur Herstellung von PET-Flaschen eingesetzt. - Die in
9 gezeigte Elektronenstrahleinheit umfasst eine oder mehrere Heizkathoden900 , aus denen Elektronen austreten und durch die Gitterspannung in Richtung zum primären Gitterelement901 und zum sekundären Gitterelement902 hin beschleunigt werden. Bei dem primären Gitterelement901 handelt es sich um ein Gitterelement von gleichmäßiger Elektronendurchlässigkeit. Das sekundäre Gitterelement902 dagegen ist als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet. Das sekundäre Gitterelement902 umfasst eine Aussparung903 mit einem Gitter, die dazu ausgelegt ist, aus den vorbeschleunigten Elektronen einen Strahl von kreisrundem Querschnitt auszublenden. Nach dem Durchtritt durch die Aussparung903 werden die Elektronen durch eine Beschleunigungsspannung, die beispielsweise zwischen 60 und 300 kV betragen kann, zur Lochanode904 hin beschleunigt. Die Lochanode904 umfasst eine kreisrunde Öffnung905 , die einen etwas größeren Durchmesser als die Aussparung903 besitzt. An die kreisrunde Öffnung905 ist ein zylindrischer Strahlfinger906 angeformt. Die untere Öffnung des Strahlfingers906 ist durch ein Elektronenaustrittsfenster907 verschlossen, durch das die beschleunigten Elektronen hindurchtreten können. Die aus dem Strahlfinger906 austretenden beschleunigten Elektronen können dann beispielsweise dazu eingesetzt werden, einen PET-Vorformling oder einen PET-Formling zu sterilisieren. Wenn der Strahlfinger zur Sterilisierung von PET-Formlingen eingesetzt wird, ist es von Vorteil, wenn der Strahlfinger906 einen Durchmesser von ca. 18 mm und eine Länge von ca. 400 mm aufweist. - Bei der in
9 gezeigten Ausführungsform wird durch das sekundäre Gitterelement902 eine Strahlfeldbegrenzung bewirkt. Durch diese Strahlfeldbegrenzung wird vermieden, dass ein nennenswerter Strom von stark beschleunigten Elektronen auf der Lochanode904 auftrifft und so eine hohe Verlustleistung hervorruft.
Claims (14)
- Elektronenstrahleinheit, welche ein flächig ausgedehntes Bestrahlungsfeld von beschleunigten Elektronen zur Verfügung stellt, welche aufweist – mindestens eine Heizkathode (
201 ) zur Erzeugung von Elektronen, – eine Gitteranordnung mit einem oder mehreren Gitterelementen (200 ,202 ), die dazu vorgesehen sind, die Elektronen von der Heizkathode (201 ) abzuziehen, zu verteilen und zu beschleunigen, – ein Elektronenaustrittsfenster (206 ), aus dem die Elektronen nach der Beschleunigung austreten, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens ein Gitterelement (202 ) einen elektronenundurchlässigen Außenbereich (203 ) sowie mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung (204 ,205 ) aufweist, – wobei die mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung (204 ,205 ) eine beliebig vorgegebene geometrische Form aufweist, – wobei das gewünschte Bestrahlungsfeld auf Ebene der Gitteranordnung ausblendbar ist, – wobei nicht benötigte Elektronen auf Höhe der Gitteranordnung abfangbar sind, und – wobei nur die tatsächlich benötigten Elektronen beschleunigbar sind. - Elektronenstrahleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung dazu ausgelegt ist, aus den beschleunigten Elektronen ein Bestrahlungsfeld von vorgegebener geometrischer Form auszublenden.
- Elektronenstrahleinheit nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: – Form und Ausdehnung der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung ist entsprechend dem jeweils benötigten Bestrahlungsfeld vorgegeben; – eine Kontur der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung ist entsprechend dem jeweils benötigten Bestrahlungsfeld vorgegeben.
- Elektronenstrahleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: – Form und Ausdehnung des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds ist durch eine Kontur der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben; – Form und Ausdehnung des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds ist durch Form und Ausdehnung der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben; – eine Geometrie des vom Elektronenstrahler erzeugten Bestrahlungsfelds ist durch eine Geometrie der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung vorgegeben.
- Elektronenstrahleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahleinheit dazu ausgebildet ist, Gegenstände zu bestrahlen, die entlang einer Transportbahn an der Elektronenstrahleinheit vorbeigeführt werden, wobei die Form von mindestens einer der elektronendurchlässigen Aussparungen entsprechend der Transportbahn gewählt ist.
- Elektronenstrahleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Gitterelemente dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen.
- Elektronenstrahleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: – mindestens eines der Gitterelemente weist eine örtlich variierende Elektronendurchlässigkeit auf, welche dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen; – mindestens eines der Gitterelemente umfasst Bereiche unterschiedlicher Elektronendurchlässigkeit, welche dazu ausgelegt sind, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen; – mindestens eines der Gitterelemente umfasst elektronenundurchlässige Stege und elektronendurchlässige Durchbrüche, wobei Breite der elektronenundurchlässigen Stege und Größe der elektronendurchlässigen Durchbrüche über das Gitterelement hinweg örtlich variieren und dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufprägen.
- Elektronenstrahleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der mindestens einen elektronendurchlässigen Aussparung jeweils Gitter angebracht sind.
- Elektronenstrahleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: – mindestens eines der Gitter weist eine örtlich variierende Elektronendurchlässigkeit auf; – mindestens eines der Gitter weist eine örtlich variierende Elektronendurchlässigkeit auf, welche dazu ausgelegt ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen; – mindestens eines der Gitter weist Bereiche unterschiedlicher Elektronendurchlässigkeit auf, welche dazu ausgelegt sind, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen; – mindestens eines der Gitter umfasst elektronenundurchlässige Stege und elektronendurchlässige Durchbrüche, wobei Breite der elektronenundurchlässigen Stege und Größe der elektronendurchlässigen Durchbrüche über das Gitter hinweg örtlich variieren und dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufprägen.
- Elektronenstrahleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahleinheit zur Bestrahlung von Formteilen ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Gitterelement dazu ausgebildet ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen, welches an eine Formgebung des Formteils angepasst ist.
- Elektronenstrahleinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gitterelement dazu ausgebildet ist, dem Bestrahlungsfeld ein Intensitätsprofil aufzuprägen, welches so gewählt ist, dass verschiedene unterschiedlich geformte und geneigte Oberflächen des Formteils im Wesentlichen homogen mit Elektronen beaufschlagt werden.
- Elektronenstrahleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahleinheit eine Strahlblende mit einer Öffnung umfasst, an die ein Strahlfinger angeformt ist, dessen Röhrenquerschnitt gleich oder etwas größer ist als die Öffnung der Strahlblende, wobei das der Strahlblende entgegengesetzte Ende des Strahlfingers als Elektronenaustrittsfenster ausgebildet ist.
- Elektronenstrahleinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Gitterelemente als Strahlfeldbegrenzungselement ausgebildet ist und eine Aussparung aufweist, die bezüglich Form und Größe im Wesentlichen mit der Öffnung der Strahlblende übereinstimmt.
- Verfahren zur Erzeugung eines flächig ausgedehnten Bestrahlungsfeldes von beschleunigten Elektronen mittels eines Elektronenstrahlers, welches umfasst: – Erzeugen von Elektronen mittels mindestens einer Heizkathode (
201 ), – Abziehen der Elektronen von der Heizkathode (201 ) und Verteilen der Elektronen mittels einer Gitteranordnung, die mindestens ein Gitterelement (200 ,202 ) umfasst, – Beschleunigen der Elektronen zu einem Elektronenaustrittsfenster (206 ) des Elektronenstrahlers hin, – Begrenzen des Bestrahlungsfeldes mittels mindestens einem der Gitterelemente (200 ,202 ), welches einen elektronenundurchlässigen Außenbereich (203 ) sowie mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung (204 ,205 ) aufweist, wobei die mindestens eine elektronendurchlässige Aussparung (204 ,205 ) eine beliebig vorgegebene geometrische Form aufweist, wobei das gewünschte Bestrahlungsfeld auf Ebene der Gitteranordnung ausgeblendet wird, wobei nicht benötigte Elektronen auf Höhe der Gitteranordnung abgefangen werden, und wobei nur die tatsächlich benötigten Elektronen der Beschleunigung zwischen Gitteranordnung und Elektronenaustrittsfenster (206 ) unterworfen werden.
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Publications (1)
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DE102009061093B3 true DE102009061093B3 (de) | 2014-03-20 |
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DE200910061093 Active DE102009061093B3 (de) | 2009-12-07 | 2009-12-07 | Elektronenstrahleinheit mit Strahlfeldbegrenzung |
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Citations (2)
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DE3020809A1 (de) * | 1980-06-02 | 1981-12-10 | M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg AG, 8000 München | Verfahren zur herstellung eines elektronenstrahlaustrittsfensters |
US20040251431A1 (en) * | 2003-06-13 | 2004-12-16 | Masanori Yamaguchi | Electron beam tube and window for electron beam extraction |
-
2009
- 2009-12-07 DE DE200910061093 patent/DE102009061093B3/de active Active
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R081 | Change of applicant/patentee |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: LEHMANN, HORST, DIPL.-PHYS.UNIV., DE Effective date: 20140228 Representative=s name: SR HUEBNER - MUNICH PATENTANWALTSPARTNERSCHAFT, DE Effective date: 20140228 |
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R020 | Patent grant now final | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20141223 |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: SR HUEBNER - MUNICH PATENTANWALTSPARTNERSCHAFT, DE Representative=s name: SR HUEBNER - MUNICH PATENT- UND RECHTSANWALTSP, DE Representative=s name: LEHMANN, HORST, DIPL.-PHYS.UNIV., DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: LEHMANN, HORST, DIPL.-PHYS.UNIV., DE |